Vật liệu lượng tử mới được phát hiện – Với những đặc tính đáng ngạc nhiên

Một nhóm nghiên cứu từ TU Wien cùng với các viện nghiên cứu của Hoa Kỳ đã bắt gặp một dạng ‘lượng tử quan trọng’ đáng ngạc nhiên; việc phát hiện này có thể dẫn đến một ý tưởng thiết kế cho các vật liệu mới.

Trong cuộc sống hàng ngày, sự chuyển pha thường liên quan đến sự thay đổi nhiệt độ – ví dụ, khi một khối nước đá nóng lên và tan chảy. Nhưng cũng có nhiều loại chuyển pha khác nhau, phụ thuộc vào các thông số khác như từ trường. Để hiểu các tính chất lượng tử của vật liệu, sự chuyển pha đặc biệt thú vị khi chúng xảy ra trực tiếp tại điểm nhiệt độ không tuyệt đối. Những chuyển đổi này được gọi là “chuyển pha lượng tử” hoặc “điểm tới hạn lượng tử”.

Một điểm tới hạn lượng tử như vậy hiện đã được một nhóm nghiên cứu Áo-Mỹ phát hiện trong một vật liệu mới và ở dạng nguyên sơ khác thường. Các đặc tính của vật liệu này hiện đang được tiếp tục nghiên cứu. Người ta nghi ngờ rằng vật liệu có thể là một bán kim loại được gọi là Weyl-Kondo, được coi là có tiềm năng lớn cho công nghệ lượng tử do các trạng thái lượng tử đặc biệt (cái gọi là trạng thái tôpô). Nếu điều này được chứng minh là đúng, thì một chìa khóa cho sự phát triển có mục tiêu của các vật liệu lượng tử tôpô sẽ được tìm thấy. Kết quả được tìm thấy trong sự hợp tác giữa TU Wien, Đại học Johns Hopkins, Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST) và Đại học Rice và hiện đã được xuất bản trên tạp chí Science Advances.

Quan trọng lượng tử – đơn giản và rõ ràng hơn bao giờ hết.

“Thông thường hành vi tới hạn lượng tử được nghiên cứu trong kim loại hoặc chất cách điện. Nhưng bây giờ chúng tôi đã xem xét một bán kim loại” Giáo sư Silke Bühler-Paschen từ Viện Vật lý Trạng thái rắn tại TU Wien cho biết. Vật liệu này là một hợp chất của xeri, ruthenium và thiếc – với các đặc tính nằm giữa kim loại và chất bán dẫn.

Thông thường, tới hạn lượng tử chỉ có thể được tạo ra trong những điều kiện môi trường rất cụ thể – một áp suất nhất định hoặc một trường điện từ. Wesley Fuhrman, một nghiên cứu sinh trong nhóm của Giáo sư Collin Broholm tại Đại học Johns Hopkins, cho biết: “Thật đáng ngạc nhiên, bán kim loại của chúng tôi hóa ra là tới hạn lượng tử mà không có bất kỳ ảnh hưởng bên ngoài nào đó. “Thông thường bạn phải làm việc chăm chỉ để tạo ra các điều kiện thích hợp trong phòng thí nghiệm, nhưng bán kim loại này tự nó cung cấp tính tới hạn lượng tử.”

Kết quả đáng ngạc nhiên này có lẽ liên quan đến thực tế là hành vi của các electron trong vật liệu này có một số tính năng đặc biệt. “Đó là một hệ thống electron có tương quan cao. Điều này có nghĩa là các electron tương tác mạnh với nhau và bạn không thể giải thích hành vi của chúng bằng cách xem xét từng electron” Bühler-Paschen nói. “Sự tương tác electron này dẫn đến cái gọi là hiệu ứng Kondo. Ở đây, một spin lượng tử trong vật liệu được che chắn bởi các electron xung quanh nó, do đó spin không còn ảnh hưởng gì đến phần còn lại của vật liệu”.

Nếu chỉ có tương đối ít electron tự do, như trường hợp của một bán kim loại, thì hiệu ứng Kondo không ổn định. Đây có thể là lý do giải thích cho hành vi tới hạn lượng tử của vật liệu: hệ dao động giữa trạng thái có và trạng thái không có hiệu ứng Kondo, và điều này có tác dụng chuyển pha ở nhiệt độ không.

Các dao động lượng tử có thể dẫn đến các hạt Weyl

“Lý do chính khiến kết quả có tầm quan trọng trung tâm như vậy là nó bị nghi ngờ có liên hệ chặt chẽ với hiện tượng “fermion Weyl”. Trong chất rắn, fermion Weyl có thể xuất hiện ở dạng quasiparticles – tức là các kích thích tập thể như sóng trong ao. Theo dự đoán lý thuyết, các fermion Weyl như vậy nên tồn tại trong vật liệu này” nhà vật lý lý thuyết Qimiao Si của Đại học Rice cho biết. Tuy nhiên, bằng chứng thực nghiệm vẫn chưa được tìm thấy. Silke Bühler-Paschen cho biết: “Chúng tôi nghi ngờ rằng giới hạn lượng tử mà chúng tôi quan sát được ủng hộ sự xuất hiện của các fermion Weyl như vậy,” Silke Bühler-Paschen nói. “Do đó, các dao động tới hạn lượng tử có thể có tác động ổn định đối với các fermion Weyl, theo cách tương tự như các dao động tới hạn lượng tử trong các chất siêu dẫn nhiệt độ cao giữ các cặp Cooper siêu dẫn với nhau. Đây là một câu hỏi rất cơ bản, là chủ đề của rất nhiều nghiên cứu trên khắp thế giới và chúng tôi đã phát hiện ra một khách hàng tiềm năng mới ở đây.”

Đối với chúng tôi, dường như các hiệu ứng lượng tử nhất định – cụ thể là các dao động tới hạn lượng tử, hiệu ứng Kondo và các fermion Weyl – gắn bó chặt chẽ với nhau trong vật liệu mới được phát hiện và cùng với nhau, làm phát sinh các trạng thái Weyl-Kondo kỳ lạ. Đây là những trạng thái “tôpô” có độ ổn định lớn, không giống như các trạng thái lượng tử khác, không thể dễ dàng bị phá hủy bởi các nhiễu động bên ngoài. Điều này khiến chúng trở nên đặc biệt thú vị đối với máy tính lượng tử.

Để xác minh tất cả điều này, các phép đo tiếp theo trong các điều kiện bên ngoài khác nhau sẽ được thực hiện. Nhóm nghiên cứu hy vọng rằng một tác động tương tự của các hiệu ứng lượng tử khác nhau cũng sẽ được tìm thấy trong các vật liệu khác. Bühler-Paschen nói: “Điều này có thể dẫn đến việc thiết lập một ý tưởng thiết kế mà các vật liệu đó có thể được cải tiến, điều chỉnh và sử dụng cho các ứng dụng cụ thể.

Tham khảo: “Tính tới hạn lượng tử nguyên sơ trong bán kim loại Kondo” của Wesley T. Fuhrman, Andrey Sidorenko, Jonathan Hänel, Hannes Winkler, Andrey Prokofiev, Jose A. Rodriguez-Rivera, Yiming Qiu, Peter Blaha, Qimiao Si, Collin L. Broholm và Silke Paschen, ngày 19 tháng 5 năm 2021, Những tiến bộ của Khoa học.